TRASDUTTORI (cenni)
definizione
Un trasduttore (o sensore) è un dispositivo in grado di rilevare una
grandezza fisica di tipo qualsiasi (termico, luminoso, magnetico, meccanico,
chimico, eccetera) e di trasformarla in una grandezza di altro tipo,
generalmente elettrica (tensione o corrente).
Il motivo della trasformazione è che in questo modo il segnale di uscita
(generalmente una tensione o una corrente) è facilmente manipolabile
mediante dei circuiti elettronici in modo da amplificarlo, linearizzarlo e
filtrarlo da eventuali disturbi (condizionamento del segnale). Un segnale
analogico potrà inoltre essere facilmente convertito in digitale (mediante un
convertitore AD) ed acquisito da un sistema di elaborazioni dati e/o
trasportato a distanza da un sistema di comunicazione dati.
classificazione
La classificazione più utile dei trasduttori è quella che li distingue in primari
e secondari.
Nei trasduttori primari la grandezza di ingresso viene trasformata
direttamente nella grandezza di uscita .Nei secondari, viceversa, la grandezza
di uscita si ottiene dalla grandezza di ingresso in modo indiretto. Ovvero la
grandezza di ingresso viene convertita in una grandezza intermedia e
quest'ultima viene convertita nella grandezza di uscita.
Parametri di un trasduttore
I parametri di un trasduttore sono:
o
o
o
o
o
o
o
caratteristica di trasferimento
linearità
portata
sensibilità
costante di tempo
isteresi
risoluzione.
La caratteristica di trasferimento è la relazione fra l'uscita e l'ingresso del
trasduttore e può essere di tipo lineare, esponenziale, logaritmico eccetera.
linearità
La linearità è il parametro che evidenzia l'errore fra la retta che meglio
approssima la caratteristica del trasduttore e la caratteristica stessa.
Tuttavia non vi è un metodo standard per tracciare la retta che fornisce la
migliore approssimazione: alcuni considerano la retta che congiunge gli
estremi della caratteristica nel range di lavoro, altri quella ricavata col
metodo dei minimi quadrati.
portata o range
E' il campo dei valori della variabile di ingresso entro il quale sono garantiti
la linearità e l'integrità del trasduttore.
sensibilità
E' il rapporto fra la variazione dell'uscita e la variazione dell'ingresso che la
produce, cioè S= ∆ U/∆ I
Un buon trasduttore deve avere una grande sensibilità (a piccole variazioni
dell'ingresso devono corrispondere grandi variazioni dell'uscita).
Se la caratteristica è lineare la sensibilità è la stessa in tutto il range di
funzionamento, altrimenti cambia in funzione del punto di lavoro.
costante di tempo
La costante di tempo τ è il tempo necessario affinché l'uscita si porti entro il
63% del valore finale, nel caso in cui l'ingresso subisca una variazione brusca
(segnale a gradino). La costante di tempo influenza la capacità del trasduttore
a rispondere a sollecitazioni rapidamente variabili nel tempo. In particolare la
massima frequenza sinusoidale applicabile al trasduttore senza che si abbia
attenuazione apprezzabile è data dalla relazione: fmax=0.35/τ
isteresi
Alcuni trasduttori presentano una caratteristica diversa a seconda se l'ingresso
passi dal valore minimo al massimo o viceversa (fig).
risoluzione
la risoluzione è il minimo valore del segnale di ingresso rilevabile dal
trasduttore, riferito alla portata del trasduttore.
Un buon trasduttore presenta una BASSA risoluzione (cioè può
apprezzare segnali di piccolo valore riferiti alla portata del dispositivo).
Un buon trasduttore dovrebbe avere:
o
o
o
o
o
o
caratteristica di trasferimento lineare
range ampio
alta sensibilità
bassa risoluzione
piccola costante di tempo
assenza di isteresi
trasduttori primari
I trasduttore primari sono in numero piuttosto ridotto:
• trasduttori di temperatura
o
o
o
o
o
trasduttori fotoelettrici
estensimetri
sensori di campo magnetico
potenziometri
sensori elettrochimici
trasduttori secondari
Sono trasduttori secondari:
- i sensori di forza, accelerazione e pressione (basati sugli estensimetri).
- la maggior parte dei sensori di posizione (basati sui sensori fotoelettrici e
sui sensori di campo magnetico).
- i sensori di velocità, basati sui sensori di posizione.
SENSORI DI TEMPERATURA
termoresistenze
Molti sensori di temperatura, come le termoresistenze, sono basati sul fatto
che la resistenza di un metallo cresce linearmente con la temperatura:
R=R0 (1+α
α T)
dove R0 è la resistenza a zero °C e T è la temperatura in gradi centigradi.
Infine α è un coefficiente positivo (misurato in °C-1
I termoresistori hanno ampi range di utilizzo (da -200 °C a +800 °C), hanno
una buona linearità, sono precisi e stabili.
I metalli che si utilizzano sono rame nichel e platino.
Il difetto principale è che α è piccolo per cui sono necessari circuiti
amplificatori con forte amplificazione.
Inoltre per trasformare la variazione di resistenza in una variazione di
tensione occorre farli attraversare da corrente e ciò comporta una variazione
di resistenza per effetto joule che introduce un errore nella misura.
Un esempio di termoresistenza è la Pt100 al platino che presenta 100 Ω a 0
°C e 375 Ω a 800 °C
Termistori NTC
Se invece di utilizzare dei metalli si utilizzano semiconduttori puri il
sensore che si ottiene ha coefficiente di temperatura NEGATIVO e molto
elevato. Si ottiene cioè una maggiore sensibilità rispetto ai termoresistori.
I termistori NTC sono realizzati con miscele di semiconduttori composti
(ossidi di Nichel e Manganese) e non con silicio o germanio. La resistenza di
questi ultimi materiali è infatti troppo sensibile alla presenza di impurità nel
cristallo.
La caratteristica di un termistore NTC è del tipo:
R= R0 e
B(1/T- 1/To)
dove T è la temperatura ASSOLUTA, T0 è una temperatura assoluta di
riferimento (298 °K) e B è una costante.
La caratteristica dei resistori è pesantemente non lineare: si prestano perciò a
lavorare bene solo dove la linearità non è importante (controlli di
temperatura) o dove i range di lavoro sono ristretti (termometria clinica).
Possono anche venire utilizzati in alcuni trasduttori secondari come dei
misuratori di flusso per fluidi.
termistori PTC
Materiali fortemente drogati possono presentare comportamento simile a
quello dei metalli: avere cioè un coefficiente di temperatura POSITIVO, col
vantaggio rispetto a quello dei metalli di essere più molto grande.
La maggiore sensibilità va a scapito tuttavia della minore linearità.
sensori di temperatura integrati
Esistono sul mercato dei dispositivi integrati che comprendono oltre al
sensore a semiconduttore, degli appositi circuiti per amplificare il segnale
fornito dal sensore e per linearizzarlo. Il più noto è l'AD 590 della Analog
Devices.
Tale dispositivo va alimentato con una tensione fra 4 e 30 volt e produce ai
suoi poli una corrente che dipende linearmente dalla temperatura:
I=KT con T in gradi Kelvin
e K=1 µA / °K
Il funzionamento in corrente presenta il vantaggio di rendere il segnale di
uscita indipendente da eventuali variazioni della tensione di alimentazione
(pila parzialmente scarica oppure alimentazione disturbata) .
Il contenitore metallico di tipo TO52 consente una elevata velocità di risposta
(costante di tempo termica bassa: la costante di tempo termica è la costante di
tempo dell'esponenziale che esprime l'andamento dell'uscita nel tempo
quando la temperatura subisce una variazione a gradino).
Un circuito ad operazionale che utilizza un AD590 è quello di figura:
A zero gradi centigradi (273 °K) il componente fornisce 273 µA. Se R1 è
percorsa da questa corrente allora IR2 è nulla ed il circuito fornisce V0=0.
Ad una temperatura qualsiasi IR2=Is-IR1
V0=R2 (Is-VR/R1)
Allora ∆Vo/ ∆T= R2∆ Is/∆T=R2K
Volendo avere, ad esempio 10 V a 100 °C occorre che sia:
∆ Vo/∆ T=10/100=0.1 volt/°C. Segue R2=0.1/ 10-6=100 KΩ
La tensione VR deve essere rigorosamente stabilizzata.
TRASDUTTORI FOTOELETTRICI
Trasformano una variazione di intensità luminosa in un segnale
elettrico.
Si distinguono in
o
o
cellule fotoelettriche
celle fotovoltaiche
• elementi fotoconduttori (fotoresistenze, fotodiodi e fototransistori)
cellule fotoelettriche
Sono basate sull'effetto fotoelettrico. Se un fotone incide su un metallo a
basso lavoro di estrazione, è in grado di strappare alcuni elettroni periferici al
metallo ionizzandolo. Le cellule fotoelettriche sono allora costituite da un
catodo metallico posto in una ampolla di vetro sotto vuoto. Quando il catodo
è colpito dalla radiazione luminosa libera elettroni che vengono raccolti da un
anodo fornendo una corrente.
Sono utilizzati solo in alcune situazioni particolari: scegliendo
opportunamente il materiale del catodo si possono ottenere sensibilità elevate
verso alcune lunghezze d'onda.
In figura il trasduttore fotosensibile è stato indicato con λ , simbolo che
indica la lunghezza d'onda della luce. Al buio la resistenza del fotoconduttore
è molto maggiore di 2.7 K perciò l'ingresso della porta (NOT triggerata) è a
zero logico. Ne segue che al buio si avrà all'uscita del circuito un uno logico.
Viceversa in piena luce il fotoconduttore avrà una resistenza di qualche
centinaio di ohm, per cui l'ingresso della porta è ad uno logico e la sua uscita
si porta allo zero logico.
Con una porta di tipo 74LS14 la soglia dovrebbe essere attorno ai 25 lux (si
tenga presente che una lampada da 100w ad un metro di distanza fornisce
circa 100 lux).
fotodiodi
In una giunzione PN polarizzata inversamente la radiazione genera coppie
elettrone lacuna che aumentano la conducibilità.
Nelle celle fotovoltaiche si sfrutta la generazione di coppie per estrarre
energia dalla cella. Nei fotodiodi si sfrutta la variazione di resistenza per
ottenere un sensore alla intensità luminosa.
I fotodiodi sono molto veloci (frequenze di taglio attorno al Mhz, anche se
nei diodi valanga le frequenze di taglio possono essere molto maggiori) tanto
da essere utilizzati come fotorivelatori in sistemi di trasmissione dati su fibra
ottica.
La frequenza di taglio può essere aumentata aumentando la tensione inversa
applicata al diodo, perché ciò riduce la capacità di giunzione (la larghezza
della zona di svuotamento aumenta, la capacità diminuisce). I fotodiodi al Ge
sono più sensibili all'infrarosso.
La figura a indica come si può utilizzare un fotodiodo come ricevitore di luce
modulata. Si noti la polarizzazione inversa del fotodiodo. Al variare della
intensità luminosa varia la resistenza del diodo e quindi il potenziale del
punto A. Le variazioni di VA vengono amplificate dall'amplificatore ad
operazionale.
La figura b indica come si può costruire un semplice luxometro. Utilizzando
un BPW34, il quale presenta una corrente inversa di cortocircuito IL=0.6 µ
A/lux si ottiene all'uscita dell'operazionale 0.6 Volt/lux.
fototransistori
Rappresentano un miglioramento rispetto al fotodiodo: sono costituiti da un
transistore in cui il morsetto di base è aperto e la cui seconda giunzione (base
collettore) è esposta alla luce.
In questo modo alla corrente inversa IL proporzionale all'illuminazione, si
aggiunge la corrente inversa ICB0 propria del transistore.
Si ottiene una corrente di collettore:
Ic=(β +1)(IL+ICB0)
Tale corrente è elevata, consentendo di ottenere un'ottima sensibilità e un
rumore inferiore a quello dei fotodiodi. Si usano in sensori di posizione come
encoders, lettori di schede e di nastri perforati (con sorgenti luminose
concentrate e vicine possono comandare direttamente dispositivi logici).
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ESTENSIMETRI
Un conduttore metallico presenta una resistenza
R=ρ l /S
essendo ρ la resistività, l la lunghezza ed S la sezione.
Se il conduttore è sottoposto a trazione la lunghezza l aumenta, S
diminuisce, perciò R aumenta.
Su questo principio si basano gli estensimetri.
Poiché per piccole deformazioni gli allungamenti sono proporzionali alle
forze, gli estensimetri sono utilizzati per misurare forze o grandezze
riconducibili a forze (peso, coppia, pressione).
Un estensimetro (strain gauge) è costituito da un sottile filo metallico
ripiegato ed annegato in un meteriale isolante flessibile secondo una
particolare geometria.
I materiali usati sono NiCr e costantana.
In un estensimetro si ha
∆ R/R= KE* ∆l / l
essendo KE la sensibilità (minore di 3)
Negli estensimetri a semiconduttore invece la sensibilità può assumere valori
notevolmente più alti (150).
Gli estensimetri a semiconduttore sfruttano il fenomeno della piezoresistività.
Tuttavia questi estensimetri si prestano solo alla misura di deformazioni
molto piccole a causa della fragilità del cristallo semiconduttore.
Un problema degli estensimetri è che la loro resistenza varia anche con la
temperatura.
Per ovviare a tale inconveniente si possono utilizzare due estensimetri, il
primo sollecitato, il secondo libero, inseriti in una struttura a ponte di
Weatstone:
R+∆ R= estensimetro sollecitato
R=estensimetro libero
Si ricava VAB= R' Vcc ∆ R/(R+R')2
Se R'=R si ha: VAB= Vcc ∆ R/4
TRASDUTTORI DI CAMPO MAGNETICO
Sono basati sull'effetto Hall: se un conduttore percorso da corrente è immerso
in un campo magnetico perpendicolare alla corrente, sulle facce
perpendicolari alla corrente e al campo si genera una fem proporzionale sia al
campo che alla corrente.
I trasduttori ad effetto Hall sono utilizzati soprattutto per ottenere trasduttori
secondari, come trasduttori di POSIZIONE. E' infatti facile tradurre uno
spostamento lineare o angolare in una variazione di campo magnetico. Ad
esempio si può fissare ad un organo in movimento un magnete permanente. Il
movimento produrrà perciò una variazione di campo.
Un esempio di switch (uscita on/off) ad effetto hall è il modello UGN 3020.
